CN114195538A - 一种致密六方氮化硼陶瓷材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种致密六方氮化硼陶瓷材料的制备方法，包括：（1）将六方氮化硼粉体、Y源、Si源、β‑Si3N4晶须进行混合，得到原料粉体；所述Si源为正硅酸乙酯、或SiO2粉和正硅酸乙酯；所述Y源为六水合硝酸钇、或六水合硝酸钇和Y2O3粉体；（2）将原料粉体经过预烧结和热压烧结，得到所述致密六方氮化硼陶瓷材料。

Description

一种致密六方氮化硼陶瓷材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种致密六方氮化硼陶瓷材料的制备方法，具体涉及一种包含六方氮化硼主相、少量晶界相及增强相的氮化硼陶瓷材料的制备方法，属于氮化硼陶瓷制备领域。
背景技术
六方氮化硼(h-BN)陶瓷具有良好的高温稳定性、耐腐蚀性、绝缘性，同时具有良好的润滑性能，在耐高温、电子绝缘、固体润滑等领域有广泛应用，对航空航天、微电子、金属冶炼装备等领域的发展具有重要的意义。
在h-BN陶瓷的工程应用中，往往需要材料满足一定的力学性能要求。材料获得良好力学性能的重要前提是其需要具有较高的致密度。但是，h-BN是一种强共价键化合物，具有一种类石墨的层状结构。层内B-N原子通过共价键连接，原子间结合强度高；层间通过较弱的范德华力结合，易产生层间滑移，在h-BN陶瓷烧结制备过程中，即使烧结温度超过2000℃，仍然难以通过材料的自扩散产生明显致密化。因此，通常采用引入少量低熔点烧结助剂，实现材料的烧结致密化，获得较高具有致密度的h-BN陶瓷。
究人员已经尝试了多种烧结助剂，改善h-BN陶瓷材料的致密度，所选用的烧结助剂包括氧化物(B2O3、Al2O3、ZrO2、SiO2、Y2O3等)、非氧化物(SiC、Si3N4、AlN等)。研究表明，h-BN陶瓷的致密度可以得到明显提升，其力学性能也得到了显著改善。这种致密化主要是利用助剂在烧结温度附近熔融液化，从而引入液相烧结机制，促进材料的致密化。但是，液相在材料内部熔融流动会受到h-BN片层结构的阻隔，使液相对致密化的促进作用降低，而增加液相含量，存在材料的绝缘性能、化学稳定性、耐高温性能、润滑性能等优势性能出现不同程度衰减的风险，往往难以获得理想的效果。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在通过改变助剂的引入方式，提高烧结助剂在材料体系中的均匀性，充分发挥液相致密化作用。通过引入少量的烧结助剂，即可获得较高的具有致密度的h-BN陶瓷。
一方面，本发明提供了一种致密六方氮化硼陶瓷材料的制备方法，包括：
(1)将六方氮化硼粉体、Y源、Si源、β-Si3N4晶须进行混合，得到原料粉体；所述Si源为正硅酸乙酯、或SiO2粉和正硅酸乙酯；所述Y源为六水合硝酸钇、或六水合硝酸钇和Y2O3粉体；
(2)将原料粉体经过预烧结和热压烧结，得到所述致密六方氮化硼陶瓷材料。
本发明中，对烧结助剂Y2O3、SiO2的引入方式进行针对性设计，一方面采用Y(NO3)3和TEOS的裂解引入纳米级Y2O3、SiO2，同时使之均匀分布于h-BN颗粒表面、h-BN层间，在液相形成时可以充分发挥其液相致密化作用；另一方面使Y(NO3)3和TEOS裂解产生的纳米级Y2O3、SiO2可以均匀分布于β-Si3N4晶须表面，生成的Y-Si-O-N晶界相可以提高β-Si3N4晶须增强相与基体的结合力；再者，为了弥补Y(NO3)3和TEOS裂解产生的纳米级Y2O3、SiO2含量上的不足，本发明采用Y2O3粉体、SiO2粉体和Y(NO3)3·6H2O、TEOS共掺的方式，实现Y2O3、SiO2含量大范围调节。通过上述改进，实现了高度致密化的h-BN陶瓷材料制备。
较佳的，以原料粉体总质量计为100wt％，当Si源为正硅酸乙酯时，所述正硅酸乙酯含量不超过5wt％。
较佳的，以原料粉体总质量计为100wt％，当Si源为SiO2粉和正硅酸乙酯时，所述SiO2和正硅酸乙酯的总质量为原料粉体总质量的1～12.5wt％且正硅酸乙酯含量不超过5wt％；优选地，所述SiO2粉的含量为5～8wt％，正硅酸乙酯含量为2～4wt％。
较佳的，以原料粉体总质量计为100wt％，β-Si3N4晶须的含量为1～10wt％。
较佳的，以原料粉体总质量计为100wt％，Y源的含量为2～30wt％；优选地，所述Y2O3粉体的含量为10～15wt％，Y(NO3)3·6H2O的含量为5～8wt％。
较佳的，以原料粉体总质量计为100wt％，h-BN粉体的含量为60～95wt％。
较佳的，将h-BN粉体和正硅酸乙酯、Y2O3粉体、SiO2粉体、β-Si3N4晶须和无水乙醇进行一次球磨混合后烘干过筛，再加入Y(NO3)3·6H2O且以去离子水为溶剂进行二次球磨混合，得到原料粉体；
优选地，所述一次球磨混合的转速200～500转/分钟，时间为1～3小时；
优选地，所述二次球磨混合的转速200～500转/分钟，时间为1～5小时。
其中，Y(NO3)3·6H2O和TEOS在溶剂中溶解，与其他固体粉末原料均匀混合形成混合物浆料，混合物浆料烘干后，不仅可以均匀附着于h-BN基体片状颗粒表面，还可以进入h-BN片层之间的细小孔隙，Y(NO3)3·6H2O和TEOS可以实现烧结助剂最大限度的均匀分布。相比而言，以Y2O3、SiO2固体粉末作为烧结助剂时，一方面固体粉末团聚会造成成分不均，另一方面固体粉末难以进入h-BN片层之间的细小孔隙，导致层间孔隙无法在烧结过程中消除。
其中，原料中的Y(NO3)3·6H2O和TEOS在浆料中溶解烘干后的原料粉体中以Y(NO3)3和TEOS附着于β-Si3N4晶须表面；在裂解后的得到的原料粉体中以纳米Y2O3、纳米SiO2附着于β-Si3N4晶须表面；在材料热压烧结过程中，纳米Y2O3、纳米SiO2与β-Si3N4晶须产生界面反应，生成Y-Si-O-N晶界相，可以提高β-Si3N4晶须增强相与基体的结合力，加强β-Si3N4晶须的增强作用
较佳的，所述预烧结的环境为真空，温度为600～900℃，时间为1～3小时。
较佳的，所述热压烧结的气氛为氮气气氛或氩气气氛，热压压力为5～50MPa，温度为1650～1950℃，时间为1～4小时。
另一方面，本发明提供了一种根据上述的制备方法制备的致密六方氮化硼陶瓷材料，所述致密六方氮化硼陶瓷材料主要由h-BN基体相、Y-Si-O晶界相和β-Si3N4晶须增强相组成；所述致密六方氮化硼陶瓷材料的致密度为74～95％，强度为20～188MPa。
上述致密六方氮化硼陶瓷材料，主要成分有h-BN基体、Y-Si-O晶界相和β-Si3N4晶须增强相，其中，Y-Si-O晶界相是是由Y2O3、SiO2在高温条件下互溶形成。Y2O3、SiO2部分源于原料中所含有的Y2O3粉体、SiO2粉体，部分源于Y(NO3)3·6H2O和TEOS裂解生成。
有益效果：
与现有技术相比，本申请提供的致密六方氮化硼陶瓷材料，包含h-BN基体相、Y-Si-O晶界相和β-Si3N4晶须增强相，一方面Y-Si-O高温液相可有效消除材料内部气孔，促进材料的致密化，另一方面β-Si3N4晶须可对h-BN陶瓷起到增强作用，此外，β-Si3N4晶须表面形成的Y-Si-O-N界面相可提高晶须与h-BN的结合强度，进一步改善β-Si3N4晶须的增强效果。该致密六方氮化硼陶瓷材料具有致密度高、力学性能好的特点。同时，本发明通过制备工艺优化设计，可有效减少h-BN在配料过程中的水解氧化行为，保证材料的纯度。
附图说明
图1为实施例5所制备六方氮化硼陶瓷材料的断面形貌；
图2为对比例3所制备六方氮化硼陶瓷材料的断面形貌；
图3为对比例4所制备六方氮化硼陶瓷材料的断面形貌。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
在本公开中，致密六方氮化硼陶瓷材料，包含h-BN基体、Y-Si-O晶界相和β-Si3N4晶须增强相。该六方氮化硼陶瓷材料可以是以h-BN粉体、Y2O3粉体、SiO2粉体、β-Si3N4晶须、Y(NO3)3·6H2O和TEOS为主要原料，均匀混合后烧结制备得到。
其中，h-BN粉作为基体原料，其质量分数可为60～95％，其具体含量可依据应用需求进行调整，优先保障力学性能可适当选取低h-BN含量，优先保障耐高温性能可优先选取高h-BN含量。
其中，β-Si3N4晶须的质量分数可为1～10％，优选为4～8％。如果β-Si3N4晶须的质量分数低于1％，则材料的强度不足；如果β-Si3N4晶须的质量分数高于10％，则容易产生β-Si3N4晶须团聚，烧结后易导致残余孔隙，使材料力学性能下降。
其中，当Si源为SiO2粉和正硅酸乙酯时，所述SiO2和正硅酸乙酯的总质量为原料粉体总质量的1～12.5wt％且正硅酸乙酯含量不超过5wt％。Y(NO3)3·6H2O的含量为5～8wt％。二者裂解产物纳米Y2O3、纳米SiO2主要作用在于高温下促进h-BN层间孔隙的消除和促进Y-Si-O液相在h-BN颗粒表面的扩展。如果二者的质量分数低于上述范围，则裂解产生的纳米Y2O3、纳米SiO2含量较低，无法充分发挥液相致密化机制；如果二者的质量分数高于上述范围，材料致密化进一步提升的效果有限，且制备成本提高。若是正硅酸乙酯过高(＞5wt％)，浆料粘度大，粉体处理难度大。
其中，Y2O3粉体、SiO2粉体的质量分数可分别优选为10～15％、5～8％，其主要作用在于高温下促进h-BN颗粒间孔隙的消除。如果二者的质量分数低于上述范围，则Y-Si-O液相生成量量较低，无法充分发挥液相致密化机制；如果二者的质量分数高于上述范围，材料耐高温性能会出现明显降低。
上述原料混合采用h-BN粉先与TEOS、Y2O3粉、SiO2粉、β-Si3N4晶须混合，再与Y(NO3)3·6H2O混合的顺序进行。其中，将各原料混合的方法可为本领域常用的方法，例如球磨等。球磨时，分散介质可为无水乙醇，磨球可为氮化硅球、氧化铝球等。原料粉体、分散介质、磨球的质量比可为(1～3)：(1～3)：(1～3)。球磨转速可为50～500转/分钟，球磨时间可为1～5小时。将所得浆料干燥、过筛，得到混合物粉末。干燥温度可为50～80℃。过筛例如是过100目筛。作为一个示例，所述均匀混合的方法为先将h-BN粉体、Y2O3粉体、SiO2粉体、β-Si3N4晶须和TEOS五种原料进行球磨混合，转速为200～500转/分钟，球磨时间1～3小时，之后再与Y(NO3)3·6H2O进行球磨，转速为200～500转/分钟，球磨时间1～5小时。
将混合物粉末烧结，得到h-BN陶瓷材料。在可选的实施方式中，烧结方式为热压烧结。将混合物粉末装填于热压模具内进行热压烧结，得到所需陶瓷材料。热压压力可为5～50MPa，优选为20～40MPa。烧结温度可为1650～1950℃，优选为1750～1900℃。升至烧结温度的升温速率可为5～20℃/分钟。烧结时间可为1～4小时。环境气氛可为氮气。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
称取95g中位粒径0.2μm的BN粉与1g分析纯正硅酸乙酯TEOS、1g中位粒径为0.5μm的Y2O3粉、0.5g中位粒径为0.2μm的SiO2粉、1g平均直径为0.2μm且平均长度为3μm的β-Si3N4晶须相混合混合，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料L1；
将浆料L1在60℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉体M1；
将粉体M1与1.5g分析纯Y(NO3)3·6H2O混合，加入100g去离子水，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料L2；
将浆料L2在60℃下干燥24小时，过100目筛，得到混合物粉体M2；
将上述混合物粉末M2置于真空炉中，加热至800℃，保温2小时，环境为真空，得到混合物粉M3；
将混合物粉末M3装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1950℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需六方氮化硼陶瓷材料。
实施例2
称取80g中位粒径0.2μm的BN粉与2g分析纯正硅酸乙酯TEOS、8g中位粒径为0.5μm的Y2O3粉、4g中位粒径为0.2μm的SiO2粉、2g平均直径为0.2μm且平均长度为3μm的β-Si3N4晶须混合，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料L1；
将浆料L1在60℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉体M1；
将粉体M1与4g分析纯Y(NO3)3·6H2O混合，加入100g去离子水，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料L2；
将浆料L2在60℃下干燥24小时，过100目筛，得到混合物粉体M2；
将上述混合物粉末M2置于真空炉中，加热至800℃，保温2小时，环境为真空，得到混合物粉M3；
将混合物粉末M3装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1900℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需六方氮化硼陶瓷材料。
实施例3
称取75g中位粒径0.2μm的BN粉与2g分析纯正硅酸乙酯TEOS、10g中位粒径为0.5μm的Y2O3粉、5g中位粒径为0.2μm的SiO2粉、3g平均直径为0.2μm且平均长度为3μm的β-Si3N4晶须混合，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料L1；
将浆料L1在60℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉体M1；
将粉体M1与5g分析纯Y(NO3)3·6H2O混合，加入100g去离子水，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料L2；
将浆料L2在60℃下干燥24小时，过100目筛，得到混合物粉体M2；
将上述混合物粉末M2置于真空炉中，加热至800℃，保温2小时，环境为真空，得到混合物粉M3；
将混合物粉末M3装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1800℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需六方氮化硼陶瓷材料。
实施例4
称取70g中位粒径0.2μm的BN粉与3g分析纯正硅酸乙酯TEOS、12g中位粒径为0.5μm的Y2O3粉、6g中位粒径为0.2μm的SiO2粉、3g平均直径为0.2μm且平均长度为3μm的β-Si3N4晶须混合，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料L1；
将浆料L1在60℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉体M1；
将粉体M1与6g分析纯Y(NO3)3·6H2O混合，加入100g去离子水，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料L2；
将浆料L2在60℃下干燥24小时，过100目筛，得到混合物粉体M2；
将上述混合物粉末M2置于真空炉中，加热至800℃，保温2小时，环境为真空，得到混合物粉M3；
将混合物粉末M3装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1750℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需六方氮化硼陶瓷材料。
实施例5
称取60g中位粒径0.2μm的BN粉与4g分析纯正硅酸乙酯TEOS、15g中位粒径为0.5μm的Y2O3粉、8g中位粒径为0.2μm的SiO2粉、5g平均直径为0.2μm且平均长度为3μm的β-Si3N4晶须混合，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料L1；
将浆料L1在60℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉体M1；
将粉体M1与8g分析纯Y(NO3)3·6H2O混合，加入100g去离子水，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料L2；
将浆料L2在60℃下干燥24小时，过100目筛，得到混合物粉体M2；
将上述混合物粉末M2置于真空炉中，加热至800℃，保温2小时，环境为真空，得到混合物粉M3；
将混合物粉末M3装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1700℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需氮化硼陶瓷材料。
实施例6
称取95g中位粒径0.2μm的BN粉与2.79g分析纯正硅酸乙酯TEOS、1g平均直径为0.2μm且平均长度为3μm的β-Si3N4晶须混合，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料L1；
将浆料L1在60℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉体M1；
将粉体M1与4.3g分析纯Y(NO3)3·6H2O混合，加入100g去离子水，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料L2；
将浆料L2在60℃下干燥24小时，过100目筛，得到混合物粉体M2；
将上述混合物粉末M2置于真空炉中，加热至800℃，保温2小时，环境为真空，得到混合物粉M3；
将混合物粉末M3装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1700℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需氮化硼陶瓷材料。
对比例1
称取100g中位粒径0.2μm的BN粉，装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1950℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需氮化硼陶瓷材料。
对比例2
称取95g中位粒径0.2μm的BN粉，与1.88g中位粒径为0.5μm的Y2O3粉、0.79g中位粒径为0.2μm的SiO2粉、1g平均直径为0.2μm且平均长度为3μm的β-Si3N4晶须相混合，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料；
将浆料在60℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末A；
将上述混合物粉末A置于真空炉中，加热至800℃，保温2小时，环境为真空，得到混合物粉末B；
将混合物粉末B装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1950℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需氮化硼陶瓷材料。
对比例3
称取60g中位粒径0.2μm的BN粉，与19.7g中位粒径为0.5μm的Y2O3粉、9.15g中位粒径为0.2μm的SiO2粉、5g平均直径为0.2μm且平均长度为3μm的β-Si3N4晶须相混合，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料；
将浆料在60℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末；
将混合物粉末装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1700℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需氮化硼陶瓷材料。
对比例4
称取60g中位粒径0.2μm的BN粉，与19.7g中位粒径为0.5μm的Y2O3粉、9.15g中位粒径为0.2μm的SiO2粉相混合，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料；
将浆料在60℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末；
将混合物粉末装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1700℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需氮化硼陶瓷材料。
对比例5
称取60g中位粒径0.2μm的BN粉，与19.7g中位粒径为0.5μm的Y2O3粉、9.15g中位粒径为0.2μm的SiO2粉、5g中位粒径为0.5μm的Si3N4粉相混合，加入100g无水乙醇，100g氮化硅研磨球，滚动球磨3小时，转速300转/分钟，制得均匀稳定的浆料；
将浆料在60℃下干燥3小时，过100目筛，得到混合物粉末；
将混合物粉末装填于热压模具内，将热压模具放入热压烧结炉中，通入N2气氛，10℃/分钟升温至1700℃，施加热压压力为20MPa，保温保压时间2小时，之后泄压降温，随炉冷却即得到所需氮化硼陶瓷材料。
性能测试方法：
密度和气孔率：依据GB-T 25995-2010《精细陶瓷密度和显气孔率试验方法》进行测试；抗弯强度：依据GB/T 6569-2006《精细陶瓷弯曲强度试验方法》进行测试。
表1为各实施例及对比例所述材料组分及性能：
Figure BDA0003431620160000091
。
从上述实施例和对比例可以看出：(1)在原料中引入Y2O3粉和Al2O3粉可以促进材料的致密化，引入Y(NO3)3·6H2O和TEOS可以进一步提升材料的致密度，降低材料气孔率，材料的抗弯强度也得到相应提升；(2)在原料中添加一定量β-Si3N4晶须可以使材料的抗弯强度得到提高，而引入Si3N4粉体则提升效果不显著。
图1-3为实施例5、对比例3、对比例4所制备六方氮化硼陶瓷材料的断面形貌，可以看出，添加Y(NO3)3·6H2O和TEOS的材料(实施例5)，相比其他两组微结构更加均匀致密；相比对比例4，含有β-Si3N4晶须的样品(对比例3)断面形貌显示出更少的h-BN层结构表面，这是由于β-Si3N4晶须的拔出过程造成h-BN层内撕裂的概率增加，提高了材料的抗弯强度。

Claims (10)

1.一种致密六方氮化硼陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括：
（1）将六方氮化硼粉体、Y源、Si源、β-Si3N4晶须进行混合，得到原料粉体；所述Si源为正硅酸乙酯、或SiO2粉和正硅酸乙酯；所述Y源为六水合硝酸钇、或六水合硝酸钇和Y2O3粉体；
（2）将原料粉体经过预烧结和热压烧结，得到所述致密六方氮化硼陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以原料粉体总质量计为100wt%，当Si源为正硅酸乙酯时，所述正硅酸乙酯含量不超过5wt%。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以原料粉体总质量计为100wt%，当Si源为SiO2粉和正硅酸乙酯时，所述SiO2和正硅酸乙酯的总质量为原料粉体总质量的1～12.5wt%且正硅酸乙酯含量不超过5wt%；优选地，所述SiO2粉的含量为5～8wt%，正硅酸乙酯含量为2～4wt%。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，以原料粉体总质量计为100wt%，β-Si3N4晶须的含量为1～10wt%。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，以原料粉体总质量计为100wt%，Y源的含量为2～30wt%；优选地，所述Y2O3粉体的含量为10～15wt%，Y(NO3)3·6H2O的含量为5～8wt%。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，以原料粉体总质量计为100wt%，h-BN粉体的含量为60～95wt%。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，将h-BN粉体和正硅酸乙酯、Y2O3粉体、SiO2粉体、β-Si3N4晶须和无水乙醇进行一次球磨混合后烘干过筛，再加入Y(NO3)3·6H2O并以去离子水为溶剂进行二次球磨混合，得到原料粉体；
优选地，所述一次球磨混合的转速200～500转/分钟，时间为1～3小时；
优选地，所述二次球磨混合的转速200～500转/分钟，时间为1～5小时。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述预烧结的环境为真空，温度为600～900℃，时间为1～3小时。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述热压烧结的气氛为氮气气氛或氩气气氛，热压压力为5～50MPa，温度为1650～1950℃，时间为1～4小时。
10.一种根据权利要求1-9中任一项所述的制备方法制备的致密六方氮化硼陶瓷材料，其特征在于，所述致密六方氮化硼陶瓷材料主要由h-BN基体相、Y-Si-O晶界相和β-Si3N4晶须增强相组成；所述致密六方氮化硼陶瓷材料的致密度为74～95%，强度为20～188MPa。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115594509A (zh) * 2022-09-27 2023-01-13 中国有色桂林矿产地质研究院有限公司（Cn） 一种含棒晶结构的聚晶立方氮化硼复合材料及其制备方法和应用

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH046162A (ja) * 1990-04-25 1992-01-10 Nippon Steel Corp ＡｌＮ―ＢＮ系複合焼結体およびその製造方法
JPH04342471A (ja) * 1991-05-20 1992-11-27 Hitachi Ltd 反応焼結複合セラミックスの製法およびそれを用いた摺動部材の製法
US5324694A (en) * 1985-06-26 1994-06-28 The Babcock & Wilcox Company Silicon nitride/boron nitride composite with enhanced fracture toughness
JPH08295570A (ja) * 1995-04-24 1996-11-12 Toyota Motor Corp 窒化珪素−窒化硼素複合焼結体およびその製造方法
US20090029843A1 (en) * 2007-07-27 2009-01-29 Ceradyne, Inc. High-volume, fully dense silicon nitride monolith and method of making by simultaneously joing and hot pressing a plurality of RBSN parts
CN102351541A (zh) * 2011-06-29 2012-02-15 中国科学院金属研究所 钇硅氧氮-氮化硼陶瓷基复合材料的原位制备方法
CN103936424A (zh) * 2014-04-15 2014-07-23 中国科学院金属研究所 一种六方氮化硼-钇硅氧复合材料及其制备方法
CN104177091A (zh) * 2014-08-11 2014-12-03 河海大学 一种高致密度六方氮化硼陶瓷材料的制备方法
CN105272269A (zh) * 2015-10-20 2016-01-27 西安邮电大学 一种氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷的制备方法
CN108002841A (zh) * 2017-03-30 2018-05-08 中国科学院金属研究所 六方氮化硼-镱硅氧氮陶瓷基复合材料及其原位制备方法
CN111410539A (zh) * 2020-03-03 2020-07-14 哈尔滨工业大学 一种Y-Al-Si-O多元玻璃相增强六方氮化硼基复相陶瓷及其制备方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5324694A (en) * 1985-06-26 1994-06-28 The Babcock & Wilcox Company Silicon nitride/boron nitride composite with enhanced fracture toughness
JPH046162A (ja) * 1990-04-25 1992-01-10 Nippon Steel Corp ＡｌＮ―ＢＮ系複合焼結体およびその製造方法
JPH04342471A (ja) * 1991-05-20 1992-11-27 Hitachi Ltd 反応焼結複合セラミックスの製法およびそれを用いた摺動部材の製法
JPH08295570A (ja) * 1995-04-24 1996-11-12 Toyota Motor Corp 窒化珪素−窒化硼素複合焼結体およびその製造方法
US20090029843A1 (en) * 2007-07-27 2009-01-29 Ceradyne, Inc. High-volume, fully dense silicon nitride monolith and method of making by simultaneously joing and hot pressing a plurality of RBSN parts
CN102351541A (zh) * 2011-06-29 2012-02-15 中国科学院金属研究所 钇硅氧氮-氮化硼陶瓷基复合材料的原位制备方法
CN103936424A (zh) * 2014-04-15 2014-07-23 中国科学院金属研究所 一种六方氮化硼-钇硅氧复合材料及其制备方法
CN104177091A (zh) * 2014-08-11 2014-12-03 河海大学 一种高致密度六方氮化硼陶瓷材料的制备方法
CN105272269A (zh) * 2015-10-20 2016-01-27 西安邮电大学 一种氮化硅/六方氮化硼纳米复相陶瓷的制备方法
CN108002841A (zh) * 2017-03-30 2018-05-08 中国科学院金属研究所 六方氮化硼-镱硅氧氮陶瓷基复合材料及其原位制备方法
CN111410539A (zh) * 2020-03-03 2020-07-14 哈尔滨工业大学 一种Y-Al-Si-O多元玻璃相增强六方氮化硼基复相陶瓷及其制备方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115594509A (zh) * 2022-09-27 2023-01-13 中国有色桂林矿产地质研究院有限公司（Cn） 一种含棒晶结构的聚晶立方氮化硼复合材料及其制备方法和应用

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